第2章视觉感知与图像的基本概念

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视杆体和视锥体的相对视敏曲线有所不同，对视
锥体情况，在 =555nm 时绿光亮度最敏感，对视 杆体暗视情况,则 =505nm 时最敏感。
图2.4 相对视敏度曲线
对比灵敏度和同时对比度
一、对比灵敏度 在均匀照度背景 I 上，有一照度为 I+△I的光
斑，称眼睛刚好能分辨出的照度差△I与 I 的比 （△I/ I）为对比灵敏度；
由于背景亮度 I 增大， △I 也需要增大，因此 在相当宽的强度范围内，对比灵敏度是一个常 数，约等于0.02，这个比值称为韦伯比（Weber 比）。亮度很强（弱）时不为常数。
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二、同时对比度 在相同亮度的刺激下,由于背景亮度不同，
人眼所感受到的主观亮度不同，这种效应称 为同时对比度。
由于同时对比是由亮度差别引起的，故也 称为亮度对比。相对应的还有色度对比。如： 红色背景下的灰色物体显绿色；
2.3 图像的数字化
我们日常生活中见到的图像一般是连续形式 的模拟图像，可由一个二维连续函数f(x, y) 来描述。 其中： (x, y)是图像平面上任意一个二维坐标点，
f(x, y)则是该点颜色的深浅。 图像处理的方法有模拟式和数字式两种。 数字图像处理的一个先决条件就是将连续图 像经采样、量（离散）化，转换为数字图像。
人们对于自己视觉机构的生物、生理、物理过程的 了解，以及神经、精神方面的了解还处于低级阶段， 认识还很不完善，还有很大的局限性。
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人眼构造
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视杆体与视锥体
视网膜上有杆状体和锥状体两类视觉接收器； 视杆体(Rods)：细长而薄，数量上约100 million， 它们提供暗视(Scotopic Vision),即在低几个数量 级亮度时的视觉响应，其光灵敏度高。 视锥体(Cons)：结构上短而粗，数量少,约6.5 million，光灵敏度较低，它们提供明视 (Photopic Vision)，其响应光亮度范围比视杆体 要高5～6个数量级。在中间亮度范围是两种视觉 细胞同时起作用。视锥体集中分布在视网膜中心。
彩色图像不能用一个矩阵来描述了，一般是用 三个矩阵同时来描述。
255 240 240
R 255 0
80

255 0 0
0 160 80 G 255 255 160
0 255 0
0 80 160
B


0
0 240
255 255 255 24
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视 觉 错 觉
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视觉错觉2
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视觉特性
视觉特性是视觉的外在表现； 图像是周围世界的一种映射,对于运动图像,空间座标x,y,z都 是时间 t 的函数,若在连续的不同时间获取图像,可以获得序
列图像I1, I 2 , I n
对于按不同波段获取图像,可获得彩色图像或不同波段的图 像信号(如遥感图像,医学图像等). 对于按不同视角,即不同的 x,y,z 间相互关系,可以得到不同视 角的不同图像. 因此,视觉现象包括有视觉对光强,对各种波长、彩色的光谱 效应,对物体边缘等空间频率变化的响应,以及视觉对时间瞬 时变化运动的响应.
数字图像的概念与描述 —— 灰度图像
灰度图像是指每个像素的信息由一个量化的 灰度级来描述的图像，没有彩色信息。
0 150 200 I 120 50 180
250 220 100
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数字图像的概念与描述 —— 彩色图像
彩色图像是指每个像素的信息由RGB三原色构 成的图像，其中RGB是由不同的灰度级来描述 的。
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图像质量的确定
数字化时，关键是要决定：
采样点数M×N （行和列） 量化级别G （灰度级数）
为了便于处理，采样点数N与量化级别G都为2的幂 次方，即M=2m，N=2n ，G=2k （m，n，k均为正整 数）。记录一幅图像所需的字节（byte）B可由下 式计算：
B＝M×N×k÷8 实际上： M、N一般取64、128、256、640、1024、 1240等值；k一般取1、4、8、16、24、32等值。 一般地说，图像质量随M、N和k的增加而增高。
量化是将各个像素所含的明暗信息离散化后，
用数字来表示。一般的量化值为整数。 充分考虑到人眼的识别能力之后，目前非特殊 用途的图像均为8bit量化，即采用0 ~ 255的整数 来描述“从黑到白”。 在3bit以下的量化，会出现伪轮廓现象。
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低bit量化的伪轮廓现象图例
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图像的数字化 —— 量化方法
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视觉感知
视觉感知是视觉的内在表象。 视觉感知包括两个不同的感知层次：
视觉的低级感知层次 视觉的高级感知层次
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视觉低级感知层次（一）
视觉系统从外界获取图像，就是在眼睛视网膜上 获得周围世界的光学成象，然后由视觉接收器 （杆状体和锥状体在视网膜上作为视觉接收器）， 将光图像信息转化为视网膜的神经活动电信息， 最后通过视神经纤维，把这些图像信息传送入大 脑,由大脑获得图像感知。
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CCD的三层结构
第一层“微型镜头”：在 感光层前面加上一副眼镜， 增加感光面积。
第二层“分色滤色片”： 有两种分色方式，一是 RGB原色分色法，另一 个则是CMYK补色分色 法。这两种方法各有优缺 点。
第三层感光层：主要是负 责将穿过滤色层的光源转 换成电子信号，并将信号 传送到影像处理芯片，将 影像还原。
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相对视敏函数
人眼对不同波长的光有不同的敏感度，不同波 长而幅射功率相同的光不仅给人以不同的色彩 感觉，而且亮度感觉也不同。 视敏函数：描述人眼视敏特性的物理量为视敏 函数和相对视敏函数。在相同亮度感觉的条件
下，不同波长光辐射功率 V 的倒数用来衡量人
眼对各波长光明亮感觉的敏感程度。
对于人眼，V 是钟形曲线。
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人类视觉感知能力的特点
人类视觉系统在对物体的识别上有特殊强大的功 能；但在对灰度、距离和面积的绝对的估计上却 有某些欠缺； 以传感器单元的数目比较：视网膜包含接近130 millions 光接收器，这极大的大于CCD片上的传 感器单元数；
和它每次执行运算的数目比较：和计算机的时钟 频率相比，神经处理单元的开关时间将比之大约 慢10倍4 ； 不论这慢的定时和大量的接收器，人类的视觉系 统是比计算机视觉系统要强大得多。它能实时分 析复杂的景物以使我们能即时的反应。
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视觉低级感知层次（二）
光图像激活视杆体或视锥体时，发生光电化学 反应，同时产生视神经脉冲，视觉系统散布视 神经中有80万神经纤维，视觉系统传播视神经 脉冲。许许多多的视杆体和视锥体相互连接到 神经纤维上。
视觉系统的可视波长范围为 =380nm～780nm;
视觉系统的可响应的亮度范围是:1～10个量级 的幅度范围。
第2章
视觉感知与图像的基 本概念
本章内容简介
视觉感知 数字图像的概念与描述 图像的数字化 数字图像的存储格式 灰度直方图
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2.1 视觉感知
图像处理的研究需要了解人类视觉机理：
人们能够区分的光强度差别有多大？ 我们眼睛的空间清晰度是多少？对运动的感觉如何? 我们估计和比较距离和面积的精度是多少？ 人类特性视觉的光谱是怎样的? 人的视觉中彩色起什么作用？ 人类是如何获得视觉感知，如何认知周围事物的？
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采样传感器
采样传感器
CCD(Charge Couple Device)：电荷耦合器件； CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)：互补性金属氧化物半导体。
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CCD
CCD是20世纪70年代初发展起来的半导体器件。 CCD以电荷为信号，而不是以电压为信号。 CCD利用感光二极管(photodiode)进行光电转换， 将图像转换为数字数据. CCD的基本功能是电荷的产生、存储和转移。其基 本原理是：通过光学系统将景物成像在CCD象敏面 上，象敏面将照在每一个象敏单元上的光照强度转 换为电荷存储在象敏单元中，然后再转移到CCD的 移位寄存器中，在驱动脉冲的作用下顺序移出器件， 形成强弱不同的电信号。
量化可分为均匀量化和非均匀量化。 1. 均匀量化是简单地在灰度范围内等间隔量化。 2. 非均匀量化是对像素出现频度少的部分量化间
隔取大，而对频度大的量化间隔取小。
• 一般情况下，对灰度变化比较平缓的部分用 比较多的量化级，在灰度变化比较剧烈的地方用 比较高的采样密度。
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均匀量化效果示意图
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非均匀量化效果示意图
为了实现方便起见，这里以矩阵坐标系来定义 图像的坐标。
列（j）
矩阵 A(i,j)
行（i）
矩阵坐标系
Y轴（j）
图像 f(i,j)
X轴（i）
直角坐标系
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数字图像的概念与描述 —— 黑白图像
黑白图像是指图像的每个像素只能是黑或 者白，没有中间的过渡，故又称为２值图 像。 2值图像的像素值为0、1。
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空间坐标(x, y)的数字化被称为图像采样； 颜色深浅幅度的数字化被称为灰度级量化。
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图像的数字化 —— 采样间隔
采样时的注意点是：采样间隔的选取。
采样间隔太小，则增大数据量；
采样间隔太大， 则会发生信息的混叠，导致细 节无法辨认。
采样列
像素
采
样 行
行 间
隔
列间隔
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图像的数字化 —— 采样指标分辨率
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视觉高级感知层次
大脑对视神经纤维传送来的图像信息进行分析 和理解，通过图像获得对周围世界感知的信息 和知识。 人们对大脑的高级感知层次至今知之甚少,仍是 生理学、神经科学、生物物理学、生物化学研 究的重要课题。
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视觉和视觉感知
“视觉是一个信息处理过程。它能从外部世界的图 像中得到一个即对观察者有用又不受无关信息干扰 的描述。” “视觉感知又是和过去留存于记忆中的同类活动有 关，视觉储积起大量的视觉意象。记忆形象可用于 对知觉对象的辨认，解释和补充。” 使计算机具有人类视觉能力，研究人类的视觉感知， 模仿人类的视觉感知，是研究工作的重要途径。